Диссертация (Ассимиляционная модель ионосферы на основе независимой оценки аппаратных дифференциальных задержек), страница 3

Информация о состоянииоколоземной плазменной оболочки Земли может служить для выявления иизученияпричинно-следственныхактивности,процессовсвязейвзаимодействиясолнечнойионосферыисгеомагнитнойатмосфернымипроцессами и землетрясениями [11].В связи с ростом нагрузки на глобальные системы телекоммуникации, атакже широким использованием спутниковых навигационных систем,существенно возрос и практический интерес к исследованиям ионосферы.Практическое значение исследований, мониторинга и прогнозированиясостояния ионосферы трудно переоценить. Мониторинг состояния ионосферыЗемли дает возможность обеспечить надежное функционирование системрадиосвязи. Задача получения данных о состоянии ионосферы дляобеспечения дальней радиосвязи на коротких волнах была сформулирована вте годы, когда она бурно развивалась, и эта задача остается первостепенной ив наше время. Это обусловлено тем, что распределение электроннойконцентрации непосредственно влияет на распространение радиоволн ватмосфере Земли.

Выбор рабочих частот для различных коротковолновыхрадиолиний и их изменения в зависимости от вариаций состояния ионосферыиграет огромную роль при обеспечении надежности радиосвязи.В свою очередь, распределения электронной концентрации в ионосфере,и, как следствие существенно варьируются в зависимости от времени суток,так и с изменением долготы и широты объекта, зависят от сезона, а также отсолнечной и геомагнитной активности.12Изучение и восстановление данных об электронной концентрациипозволяет осуществлять не только мониторинг процессов ионосферы и анализдвиженияионосферныхнеоднородностей,ноипроводитьоценкираспространения радиоволн при прохождении через ионосферу Земли.

Вчастности, определять фарадеевское вращение плоскости поляризациилинейно поляризованной волны, высоту отражения сигнала, азимут ирасстояние до объекта в случае загоризонтной радиолокации, задержкусигнала в ионосфере.Информация о состоянии ионосферы также необходима для улучшенияхарактеристик глобальных навигационных спутниковых систем (GPS,ГЛОНАСС и др.). В настоящее время все больше возрастают требования кточности определения координат, скорости и ориентации объекта с помощьюспутниковых навигационных систем. Как было показано в ряде работ[12,13,14,15] влияние ионосферной компоненты на точность определенияместоположения может достигать, и даже в некоторых случаях превышать, 50метров.

В связи с тем, что ионосфера оказывает весьма существенное влияниена погрешность измерения псевдодальностей по сигналам систем ГНСС,задача исследования ионосферных возмущений приобретает дополнительнуюактуальность.1.2 Обзор средств дистанционного мониторинга ионосферыДо середины 50-х годов практически единственным методом изученияионосферы с Земли был метод импульсного зондирования — посылкирадиоимпульсов и наблюдения их отражений от различных слоев ионосферыс измерением времени запаздывания и изучением формы отраженныхсигналов. Измеряя высоты отражения радиоимпульсов на различных частотах,определяя критические частоты (несущая частота радиоимпульса, для которойданная область ионосферы становится прозрачной) различных областей,можноопределять значениеэлектроннойконцентрациивслояхидействующие высоты для заданных частот, выбирать оптимальные частоты13для заданных радиотрасс. В ходе многочисленных исследований второйполовины XX века удалось выявить многие общие свойства ионосферы.

Вчастности, были определены особенности ионосферы на различных широтах,ее поведение в зависимости от времени суток и сезона, оценена зависимостьраспределения электронной концентрации различных её слоев [16]. Этиисследованияпоказаличрезвычайнуюсложностьинерегулярностьпроисходящих в ионосфере процессов.Осуществлять глобальные наблюдения за процессами, происходящими вионосфере, возможно только при помощи дистанционных методов. Для тогочтобы результаты дистанционного зондирования (ДЗ) ионосферы былисвоевременно применены они должны отвечать нескольким существующимтребованиям.

В частности:1. Известнаяпогрешность.Неточностьизмеренияионосферныххарактеристик с помощью того или иного инструмента не должнапревышать 10%, а источники ошибок должны быть оценены идифференцированы.2. Широкаядиапазоназонапокрытия.исследования,Сувеличениемсущественнопространственногорасширяетсяклассприложений, в рамках которых могут быть использованы полученныеданные.3. Оперативностьобновленияидоступностьэкспериментальнойинформации. В противном случае, данные перестают быть применимыдля практических задач мониторинга ионосферы и становятсяактуальны только для фундаментальных исследованийНа данный момент существует несколько инструментов, позволяющихосуществлять ДЗ ионосферы, которые в полной мере или частичносоответствуют представленным требованиям.

Ионозонды, имеющие густоепокрытие континентальной и островной части суши, безусловно, относятся ктаким. По данным Центра солнечных данных (англ. UK Solar System DataCentre),Великобритания,современная14глобальнаясетьионозондовнасчитывает более 300 станций [17]. Такие станции радиозондированияпозволяют достаточно точно определять параметры плазмы над пунктаминаблюдений в интервале высот от 60 км до слоя максимума ионосферы.Использование наземных и бортовых ионозондов в комплексе являетсямощным инструментом изучения и мониторинга ионосферных процессов [18].Для изучения ионосферных процессов так же применяются радарынекогерентного рассеяния (РНР). Создание и поддержание работоспособноститакого мощного инструмента является сложным и дорогостоящим процессом.Под эгидой Международного радиосоюза (УРСИ) с помощью РНР ведутсярегулярные координированные наблюдения по Программе мировых дней(ежемесячно в течение двух дней — во время новолуний и одного дня — впервую четверть Луны).

Эти дни определены и утверждены ассамблеей вБрюсселе. Получаемые при этом экспериментальные данные составляютоснову для широкого спектра исследований по cолнечно-земной физике, в томчисле для выполнения важнейших международных проектов Global Change,CEDAR, STEP и др. [19].На сегодняшний день существует всего около 10 РНР, в том числе и вРоссии(ИСЗФРАН,Иркутск[20]).Малаяраспространенностьипериодичность измерений, конечно, не позволяют осуществлять мониторингсостояния ионосферы, но по информативности локальных измерений РНРмогут считаться одним из ключевых инструментов. Диапазон высотизмерений параметров ионосферы с помощью РНР очень большой, примерноот 200 до 1200 км [20], что позволяет рассмотреть практически всеионосферные процессы. Состояние ионосферы по проводимым с помощьюРНР измерениям, характеризуется распределением концентраций, температури скоростей электронов и ионов [21].Огромный потенциал для исследования и мониторинга состоянияионосферы имеют и глобальные навигационные спутниковые системы(ГНСС).

На данный момент космический сегмент ГНСС включает 56регулярно передающих сообщения спутников систем GPS+ГЛОНАСС, а15также 6 (двухчастотных) геостационарных спутников системы SBAS и 6спутников Galileo. Из-за специфики орбит, на территории РФ доступны лишь2 спутника SBAS (GSAT-8 и GSAT-10) [22]. Спутники систем GPS, ГЛОНАССи Galileo не являются геостационарными и имеют большую зону покрытия.Более 2000 станций GPS распределены по Земле [23] и могут передаватьданные измерений полного электронного содержания с высоким разрешением.С помощью этих данных реализуются задачи по определению структурыионосферы, мониторингу происходящих явлений и отслеживанию вариацийионосферных параметров. Информация о прохождении навигационногосигнала включает в себя сведения о содержании электронов на путираспространениясигнала.Дистанционныеизмеренияконцентрацииэлектронов, в свою очередь, позволяют осуществлять не только мониторингпроцессов ионосферы и анализ движения ионосферных неоднородностей, нои проводить оценки распространения радиоволн при прохождении черезионосферу Земли.Мониторингсостоянияионосферыспомощьюспутниковыхнавигационных систем обладает рядом неоспоримых преимуществ, вчастности, возможностью получения глобальной информации, высокаянадежность и сравнительно низкая стоимость получения информации,быстрый рост сети наземных приемников и вместе с ним и увеличение объемаэкспериментальных данных.

Передача данных со станций ГНСС, как правило,осуществляется в автономном режиме и не требует постоянного присутствияоператора.Приэтомсборэкспериментальнойинформацииможетосуществляться как по расписанию, так и круглосуточно.1.3 Методы моделирования состава ионосферы.Модель ионосферы представляет собой распределение значенийхарактеристик плазмы в виде функции: географического положения,16 высоты, дня года, времени суток, а также солнечной и геомагнитной активности.Для большинства задач геофизики состояние ионосферной плазмыможет быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью; электронной температурой; ионной температурой; ионным составом (в силу наличия нескольких типов ионов).Так, например, распространение радиоволн, зависит исключительно отраспределения электронной концентрации.Зачастую в современном понимании под моделью ионосферы обычноподразумеваюткомпьютернуюпрограмму,т.е.сформировавшуюсяпоследовательность инструкций, предназначенных для исполнения навычислительной машине(-ах).

Программа может быть основана на физическихзаконах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве(учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением,нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли) [24,25,26,27,28].Физически обоснованные теоретические численные модели являютсяэффективным инструментом для получения информации о процессах истроении ионосферы, о глобальных распределениях ионосферных параметров.Такого рода модели построены на основе физических законов гидродинамики,магнитной гидродинамики, или кинетического уравнения.